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§2-4 通过肋片的导热 由前可知: 导热分析的首要任务就是确定物体内部的温度场。 根据能量守恒定律与傅立叶定律,建立了导热物体中的温度场应满足的数学表达式,称为导热微分方程。 肋高H 肋宽l 肋厚δ 截面积Ac 肋基 肋端 3 、常见肋片的结构:直肋 环肋 针肋 内热源强度 单位时间肋片单位体积的对流散热量 如图,在距肋基x处取一长度为dx的微元段,该段的对流换热量为: 2.4.3 肋面总效率 增加肋片加大了对流传热面积,有利于减少总面积热阻,但肋片增加了固体导热热阻。因此增加肋片是否有利取决于肋片的导热热阻与表面对流传热热阻之比,即毕渥数Bi。 矩形和三角形肋片的效率 矩形截面环肋的效率 在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。 实际上肋片总是被成组使用 式中, 为肋面总效率。 2.4.3 肋片的选用与最小重量 对等截面直肋, 加肋有利。 在推导多层壁导热的公式时,假定了两层壁面之间是保持了良好的接触,要求层间保持同一温度。而在工程实际中这个假定并不存在。因为任何固体表面之间的接触都不可能是紧密的。 t1 t2 Δt x t 在这种情况下,两壁面之间只有接触的地方才直接导热,在不接触处存在空隙。 热量是通过充满空隙的流体的导热、对流和辐射的方式传递的,因而存在传热阻力,称为接触热阻。 2.4.4 接触热阻 (1)当热流量不变时,接触热阻 rc 较大时,必然 在界面上产生较大温差 (2)当温差不变时,热流量必然随着接触热阻 rc 的增大而下降 (3)即使接触热阻 rc 不是很大,若热流量很大, 界面上的温差是不容忽视的 接触热阻的影响因素: (1)固体表面的粗糙度 (3)接触面上的挤压压力 例: (2)接触表面的硬度匹配 (4)空隙中的介质的性质 在实验研究与工程应用中,消除接触热阻很重要 导热姆(导热油、硅油)、银 先进的电子封装材料 (AIN),导热系数达400以上 * * 非稳态项 源项 扩散项 基本概念 1 、肋片:指依附于基础表面上的扩展表面。 工程上和自然界常见到一些带有突出表面的物体。 其作用是增大对流换热面积,以强化换热。 2、肋片的作用 肋片的基本尺寸和术语 l 直肋 环肋 针肋 2.4.1 通过等截面直肋的导热 已知: 矩形直肋,Ac均保持不变 肋基温度为t0,且t0 肋片与环境的表面传热系数为常量h. 导热系数?,保持不变 求: 温度场 t 和散热量? 0 x dx Φx Φx+dx δ Φc 分析: 肋宽方向:肋片宽度远大于肋片的厚度,不考虑温度沿该方向的变化; 于是我们可以把通过肋片的导热问题视为沿肋片方向上的一维导热问题。 肋厚(y)方向:沿肋厚方向的导热热阻一般远小于它与环境的换热热阻。 把沿y方向的散热视为负的内热源。 0 x dx Φx Φx+dx δ Φc 1/h δ/λ 1/h 假设 1 )导热系数 λ 及表面传热系数 h 均为常数;????????? 2 )肋片宽度远大于肋片的厚度,不考虑温度沿该方向的变化; ???????3 )表面上的换热热阻 1/h ,远大于肋片的导热热阻 δ/λ ,即肋片上沿肋厚方向上的温度均匀不变; ????????? ??? ? 在上述假设条件下,把复杂的肋片导热问题转化为一维稳态导热,并将沿程散热量q视为负的内热源,则导热微分方程式简化为 4 )肋端视为绝热,即 dt/dx=0 ; 0 x dx Φx Φx+dx δ Φc 因此该微元段的内热源强度为: 0 x dx Φx Φx+dx δ Φc 导热微分方程: 引入过余温度 。并令 边界条件: 导热微分方程: 二阶齐次线性常微分方程 0 x dx Φx Φx+dx δ Φc 方程的通解为: 应用边界条件可得: 得: 带入: 肋片内的温度分布 双曲余弦函数(hyperbolic cosine) θ x 0 θ0 H 双曲正弦函数 双曲正切函数 肋端温度 0 x dx Φx Φx+dx δ Φc 令x=H,可得到肋端的温度: 肋片表面的散热量 0 x dx Φx Φx+dx δ Φc 分子分母乘以m 稳态时肋片表面的散热量 = 通过肋基导入肋片的热量 2.4.2 肋片效率 1、等截面直肋的效率 为了从散热的角度评价加装肋片后换热效果,引进肋片效率 表示整个肋片均处于肋基温度时传递的热流量,也就是肋片传导热阻为零时向环境散失的热流量。 肋片的散热量 : 如果肋片的效率能够顺利计算出来的话,肋片的实际散热量也就可以求得。 mH这个无因次数在肋片效率
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